На весах уравновесили лёгкий стеклянный шарик. Затем весы поместили под колокол воздушного насоса и откачали воздух. Равновесие весов нарушилось (рис. 163). Почему?
рис. 163
Закон Архимеда формулируется следующим образом, на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
В воздухе на стеклянный шар действует сила Архимеда. После того, как откачали воздух, сила Архимеда перестала действовать на шар. Вес шара станет больше. Но так как объём стеклянного шара больше, чем объём гири, то эффект уменьшения веса для шарика будет более заметный, равновесие весов нарушилось.
Для правильного понимания происходящего в данной задаче необходимо рассмотреть несколько физических понятий и явлений. Разберем их подробно:
Если тело находится в газе или жидкости, то на него действует сила, которая называется Архимедовой силой. Эта сила возникает из−за разности давления среды на верхнюю и нижнюю части тела. Величина этой силы равна весу вытесненного телом объема среды и определяется формулой:
$$ F_A = \rho_{\text{среды}} \cdot V \cdot g $$
где:
− $ F_A $ — Архимедова сила,
− $ \rho_{\text{среды}} $ — плотность среды (в данном случае воздуха),
− $ V $ — объем тела, погруженного в среду,
− $ g $ — ускорение свободного падения.
Шарик, помещенный в воздух, испытывает воздействие Архимедовой силы, направленной вверх. Эта сила уменьшается, если плотность газа (воздуха) вокруг него уменьшается. Если воздух полностью откачивается, Архимедова сила становится равной нулю, так как плотность воздуха ($ \rho_{\text{среды}} $) становится равной нулю.
В условиях, когда воздух присутствует, на обе чаши весов действуют Архимедовы силы:
− На стеклянный шарик действует сила, направленная вверх (из−за его объема).
− На грузик, находящийся на другой чаше, также действует Архимедова сила (но ее величина меньше, так как объем грузика меньше).
Таким образом, равновесие весов на начальном этапе учитывает влияние этих Архимедовых сил.
Когда воздух под колоколом насоса откачивается:
− Плотность воздуха уменьшается, а вместе с ней уменьшается Архимедова сила, действующая на каждое тело.
− Шарик, имеющий относительно большой объем, теряет большее значение Архимедовой силы, чем грузик.
− Это приводит к нарушению равновесия: шарик "становится тяжелее", поскольку его вес больше не компенсируется Архимедовой силой.
Объем тела играет ключевую роль. Шарик имеет значительно больший объем, чем грузик. Поэтому на него в условиях наличия воздуха действовала большая Архимедова сила. После откачивания воздуха эта сила исчезает, и разница становится заметной, что приводит к изменению положения весов.
Нарушение равновесия весов связано с изменением действия Архимедовой силы при откачивании воздуха. Шарик, имеющий больший объем, теряет большее значение этой силы, чем грузик. Таким образом, равновесие весов нарушается.
Пожауйста, оцените решение
